Motor Otto (4 tiempos), cascabeleo y N° de octano

Breve historia

Los motores de combustión interna (MCI) se iniciaron cuando en 1857 Eugenio Barsanti (Piertrasanta, 12 de Octubre de 1821-Seraing, 19 de Abril de 1864) y Felice Matteucci (Lucca, 12 de Febrero de 1812-Capannori, 13 de Septiembre de 1887), construyeron un motor de embolo libre, usando pólvora como combustible.

A grandes rasgos el funcionamiento de este motor fue una explosión que impulsaba al embolo verticalmente hacia arriba. Cuando empezaba a descender por la acción de la gravedad, accionaba un trinquete que estaba conectado de tal manera que hacia girar un eje. Este motor resulto difícil de controlar y fracaso a pesar de que Carl Eugen Langen (Koln, 9 de Octubre de1794– Elsdorf, 2 de Octubre de, 1869) y Nikolaus August Otto (Holzhausen, 14 de Junio de 1832-Colonia, 28 de Enero de 1891) sacaron al mercado varios motores de embolo libre por el año de 1867.

Ya en 1860 Jean Joseph Etienne Lenoir (Mussy-la-Ville, Belgica, 12 de Enero de 1882-La Varenne-Saint-Hilarie, 4 de Agosto de 1900) propuso y construyo un motor sin compresión, el cual aspiraba una carga de gas y aire a la presión atmosférica durante aproximadamente media carrera, en cuyo momento se quemaba la mezcla. La presión obtenida proporcionaba la fuerza motriz para terminar esa carrera, retornar el pistón hasta el extremo de la siguiente carrera, expulsar los gases producidos y llevarlo nuevamente hasta el punto de la combustión de la nueva carga. Este motor se uso durante un tiempo pero su rendimiento resulto muy bajo para que fuera redituable.

En 1862 Alphonse Beau de Rochas (Digne, 1815- ¿, 1893) desarrollo la teoría de los motores MCI y definió condiciones para obtener un alto rendimiento, pero no fue sino hasta 1876 que Nicholas A. Otto construyo un motor exitoso posteriormente a que invento el ciclo termodinámico. Curiosamente se llamo motor de Otto silencioso.

Se dice que en 1881 para burlar las patentes de Otto, Sir Dugald Clerk (Glasgow, 1894-1932 invento el motor del ciclo de dos carreras.

En el nacimiento de los MCI, las velocidades usuales eran del orden de 200 rpm. Gotlieb Daimler fue el primero en conseguir motores pequeños de velocidades relativamente altas del orden de 1000 rpm con los cuales, se obtuvo un rendimiento mayor que con sus antecesores para un tamaño determinado. Había nacido el motor de "alta velocidad" que haría posible el automóvil.

Generalidades

Los motores Otto, o de cuatro tiempos son los mas comunes en el transporte por carretera, y son usados ampliamente en granjas, fabricas, centrales eléctricas, y aviación. Todos los motores pequeños de cuatro tiempos, son siempre de simple efecto.

Los combustibles empleados son líquidos volátiles o gas que tienen relaciones de compresión entre 6:1 y 12:1, limitada por la detonación. Las presiones de combustión varían de 1,034 a más de 2,068 kpa (150-300 lb/pulg2). Se emplean carburadores y válvulas, o sistemas de inyección para mezclar el combustible pulverizado con el aire portador de oxigeno. El proceso es conforme al ciclo Otto. Los combustibles son el gas natural o fabricado, gasolina, keroseno, aceites pesados, alcohol y otros. Los combustibles más comunes son gas natural, gasolina y aceite combustible (fuel oil).

Los grandes motores estacionarios, usan como combustible los llamados gases comerciales como el de altos hornos, de hulla, de horno de coque, gas de agua carburado, gas pobre y gas natural. El valor de la presión de combustión varía de 3.5 a 5 veces la presión de compresión. La carga de combustible, y la velocidad de embolo se controlan regulando la admisión por medio del acelerador. Se admiten velocidades de embolo 15.24 m/s (3,000 pie/s)

Las ventajas de estos motores son el bajo costo inicial, poco peso específico, poco esfuerzo para girar el cigüeñal al arranque, amplia capacidad de variación de velocidad y carga, alta eficiencia mecánica, y el consumo de combustible específico es muy bajo para altas relaciones de compresión con el acelerador totalmente abierto.

Motores de aviación

Todos los motores de embolo empleados en aviación, trabajan según el ciclo Otto. Se enfrían con aire y siempre son de cuatro tiempos. Todos son de aspiración natural o supercargados. Son los de menor peso especifico y se construyen con válvulas en la cabeza. Su consumo específico de combustible es tan bajo como de 0.18 kg/bhph. La bmep (Brake Mean Effective Pressure) máxima de crucero varía de 100 a 150 lb/pulg2 (689-1,030 kpa). La bmep de despegue varia de 827-1,380 kpa (120 a 200 Lb. / pulg2) dependiendo principalmente de la relación de compresión, del combustible y de la sobrecarga.

Estos motores obtienen una presión media efectiva por medio de sus válvulas. Los motores con mucha potencia de salida, tienen generalmente relaciones de compresión y sobrecarga que prácticamente impiden la operación a plena admisión a nivel del mar o cerca de el, con el combustible especifico, pero trabajan a plena admisión una altura critica o sobre ella, arriba de la cual, la potencia disminuye en razón inversa con la altura. Bajo esta altura critica, la potencia disminuye proporcionalmente con la disminución de la altura a presión constante en el múltiple de admisión por el aumento de la contrapresion de escape, y de la temperatura ambiente. Los motores turbocargados mantienen la potencia constante con la presión en el múltiple también constante desde el nivel del mar hasta la altura crítica que puede ser hasta de 6,100 m (20,000 pies).

La bhp de un motor de aviación, varía con la velocidad, la presión en el múltiple de admisión y la altura. A una velocidad dada, con un determinado sobrecargador, o una relación de soplado (rpm del sobrecargador/rpm del motor) y con una abertura del total del acelerador, la bhp varia linealmente con la densidad de la atmósfera. Debido a esta propiedad, es factible dibujar curvas de potencia para una determinada altura, en función de la potencia nominal al nivel del mar. La potencia a 6,1000 m (20,000 pies), es aproximadamente el 50% de la potencia al nivel del mar con el acelerador abierto para una velocidad dada.

El diámetro máximo de los cilindros es de aproximadamente de 0.15 m (6 pulg.), y esta limitado por el enfriamiento del embolo y por las dificultades que aumentan con el empleo de cilindros mayores, grandes relaciones de compresión y elevadas presiones en el múltiple de admisión. Es común una relación menor que 1.0 entre la carrera del embolo y el diámetro del cilindro. Los motores muy grandes se han desplazado por motores de turbina.

Por lo general los motores de aviación de embolo son de diseño horizontal opuesto con un numero par de cilindros (cuatro, seis u ocho), y se encuentran equipados con un sistema doble de encendido.

Motores de automóviles en USA

El desplazamiento en los motores de auto en los 70s varía de 1,590-8,194 cm3 (97-500 pulg3). La potencia ha disminuido considerablemente debido a restricciones ambientales y de clasificación. La tendencia desde entonces fue desplazamientos y cilindrada menores y carreras de embolo mayores.

El control de emisiones dio lugar a: reducción en la relación de compresión, mejoramiento de las válvulas, control de tiempo en el retraso de ignición, mayor precisión y seguridad en la carburación y aire de admisión con temperaturas controladas.

La válvula reguladora de tiempo, en particular para cerrar las válvulas de admisión se selecciona para dar una alta eficiencia volumétrica y un par elevado, tanto como aumentan las rpm. El retraso en la válvula de admisión varia de 35-1050 de rotación del codo del cigüeñal después del punto muerto. Con altas velocidades las restricciones en primer lugar del Venturi del carburador y en segundo lugar válvulas de admisión, se empieza a ahogar al motor. Los motores del 73 desarrollaban su par máximo alrededor de 2,300 rpm, aun cuando con altas velocidades el par torcional se reduce, la potencia pico se alcanza a 3,200- 4,600 rpm. Las potencias mas altas fueron con carburadores de 4 gargantas modificados.

En los 70s la distribución para el número de cilindros era del 80% para los V-8, 10% para los de 6 y 4 cilindros. En la actualidad estas cifras han cambiado y la tendencia es reducir más el número de cilindros. Para un desplazamiento dado, la disminución del número de cilindros, incrementa la economía y disminuye las emisiones de HC, por otro lado incrementa el desbalance, y las fluctuaciones en el par.

Motores de autos europeos y japoneses

Estos motores son casi todos de 4 tiempos con ciclo Otto, y algunos diesel. Lo común es enfriamiento a base de agua bombeada o por termosifón o ambos. Los motores de tipo horizontal de cilindros opuestos son enfriados por aire. Los bhp son de 32 a 352, (en USA son de 54 a 250). La mayoría son de aspiración normal. El desplazamiento para los de 2 cilindros es 598 cm3 (36.5 pulg3), para 4, 787-2,212 cm3 (48 a 135 pulg3), para 6, 1,999 a 4,719 cm3 (122 a 288 pulg3), para 8, 2,982 a 6,555 cm3 (182 a 400 pulg3), para 12, 3,933 a 5,326 cm3 (240 a 325 pulg3), pero la mayoría son de 4 cilindros en línea.

Motores de camiones y autobuses

Son similares a los de auto pero con cilindrada de 4,916 a 16,387 cm3 (300 a 1,000 pulg3), son más robustos y sus velocidades son mas bajas. Emplean el ciclo Otto y los más grandes son diesel, todos usan enfriamiento por agua. Los de gasolina, son de aspiración natural, relaciones de compresión menor que las de los autos, pero sus válvulas son similares. Su bhp desde 55 a 300 la logran con velocidades promedio de embolo de 13.21 m/s (2,600 pie/min.). El par máximo se obtiene a alrededor de 1,500 rpm, apreciablemente menor que los autos. Los motores se construyen de 4 o 6 cilindros en línea y de 8 en V.

Motores de tractor

Son de encendido por chispa (gasolina o gas de petróleo licuado), como de encendido por compresión (diesel). Casi todos los de 100 hp, son diesel. Generalmente son de 4 cilindros, enfriados con agua y válvulas en la cabeza. El alojamiento es integral y pueden ser de camisa seca o camisa húmeda. El número de cilindros varía desde 1 hasta 8, con excepción del último por lo general todos son en línea, minimizando el ancho de la tapa del motor, permitiendo mayor visibilidad al operario. Los motores de tractor tienen un alto factor de carga y un elevado par torcional con baja velocidad.

Puntos importantes del MCI

4 Tiempos

En el ciclo de cuatro tiempos o carreras requieren cuatro carreras del embolo, lo cual significa también dos revoluciones del cigüeñal para completar un ciclo.

Tiempo 1, carrera de aspiración. Esta carrera se inicia en el punto muerto superior, PMS que es el límite de la carrera de compresión y termina en el punto muerto inferior PMI, limite de la carrera de expansión. Al hacer el pistón el recorrido, se produce un vacío que succiona la mezcla de combustible y aire, llenando el espacio muerto y la cilindrada. El espacio muerto es el espacio comprendido entre el punto muerto superior y la culata, parte del cilindro donde se encuentra los asientos de las válvulas y la bujía. La cilindrada es el espacio comprendido entre el PMS y el PMI.

Tiempo 2, carrera de compresión. Esta carrera se inicia en el punto muerto inferior, PMI, limite de la carrera de aspiración y termina en el punto muerto superior PMS, limite de la carrera de compresión. La mezcla de aire y combustible es comprimida hasta ocupar solamente el espacio muerto. Idealmente al terminar la carrera de compresión, se presenta la chispa para iniciar la combustión y el siguiente paso, la expansión. En la práctica, con el fin de dar tiempo a la combustión, que no es instantánea, la chispa es programada aproximadamente a 35º antes que el codo del cigüeñal llegue a la vertical en el dibujo, con lo cual la chispa se presenta antes de que el pistón llegue al PMS.

Tiempo 3, carrera de expansión. Esta carrera se inicia en el punto muerto superior, PMS, y termina en el punto muerto inferior PMSI. Durante esta carrera, se efectúa un trabajo positivo, recibe también el nombre de carrera de potencia.

Tiempo 4, carrera de expulsión o carrera de escape. En esta carrera la mayor parte de los gases producto de la combustión, son expulsados del cilindro. Posteriormente se repite el ciclo. Idealmente la válvula de escape, se abre en el PMI, pero en la practica, para dar tiempo suficiente a la expulsión de los gases, esta válvula se abre 35º-45º (avance al escape) antes de que el codo del cigüeñal llegue a la vertical en el punto mas bajo de su giro en el dibujo adjunto. Así el escape de los gases se presenta antes del PMI.

Esquema de los cuatro tiempos del MCI

Cascabeleo

Dos fenómenos similares en los motores de encendido por chispa que tienen una manifestación común, esta es el cascabeleo o golpeteo dentro de la cámara de combustión donde se encuentra el pistón. El más común es la detonación, la cual es una inflamación espontánea del combustible que se encuentra más allá del frente de la llama originada por la chispa. El menos común es la preignicion, encendido anticipado que se caracteriza por iniciación de la combustión antes del encendido por la chispa, la preignicion se debe a algún punto caliente en la cámara de combustión, generalmente en la cabeza del pistón, ocasionado por rugosidades en las superficies de dicha cámara, o a depósitos de lubricante o combustible carbonizados.

La idea no es hacer un análisis cuantitativo de lo que sucede en el MCI, pero, para hablar de cascabeleo, es necesario definir la relación de compresión.

La relación de compresión se define como el cociente del volumen total disponible para los gases o la mezcla al iniciar la compresión, dividido por el volumen del espacio muerto. El volumen total es la suma del volumen del espacio muerto y la cilindrada. El volumen del espacio muerto se define como una fracción de la cilindrada cVD. La relación de compresión real es bastante menor que su valor nominal, debido al retraso en el cierre de la válvula de admisión.

Cilindrada = VD

Espacio muerto = cVD

Volumen total = VD+cVD

Rk = (VD+cVD)/cVD = (1+c)/c

Con esta relación se puede calcular el volumen del espacio muerto o la relación de compresión. Si la relación de compresión es muy grande, la mezcle aire-combustibles se comprimirá demasiado, provocando explosiones espontáneas, es decir sin la chispa.

Detonación

La detonación, es combustión espontánea (después de la chispa) del combustible que se encuentra aun alejado de la zona en donde ya esta la combustión por chispa. Si la relación de compresión es muy grande para este combustible, es más probable que se presente este fenómeno. A la chispa la combustión empieza, llenando todo el espacio, el cual se va incrementando conforme el pistón se desplaza. Al aumento de la temperatura, los gases de la combustión, se expanden, comprimiendo la mezcla aire-combustible aun no quemada y que ya aumento su temperatura. Si la relación de compresión es demasiado alta, la mezcla no quemada se comprime y calienta tanto que inicia una combustión espontánea fuera de la zona de combustión iniciada por la chispa. En este caso se presenta un aumento rápido y localizado de la presión, resultando vibraciones violentas, que al chocar con las paredes producen el cascabeleo.

La relación de compresión no es causa única de detonación, pero si esta relacionada en la solución a este problema. Los motores enfriados con agua, son mas calientes, por lo tanto, para que no detonen, se disminuye la relación de compresión. También en los motores sobre alimentados se disminuye la relación de compresión por la misma causa.

La preignicion

La preignicion es el inicio de la combustión antes de la chispa (al contrario de la detonación). Se debe a la presencia de puntos calientes en la cámara de combustión, que pueden deberse a rugosidades en las superficies metálicas o a depósitos de combustible o lubricante calcinado.

El dibujo de arriba asemeja aproximadamente a una serie de fotografías publicadas con autorización en el libro de Termodinámica de referencia, suministradas por una empresa fabricante de motores.

Los dibujos de la hilera superior, muestran la combustión sin detonación. La combustión, aun no es completa en el cuadro 4. Los cuadros 1 y 5 corresponden 2.6o antes del PMS.

En la línea inferior aparece la detonación en el cuadro 6 antes del PMS.

Número de octano

El número de octano, es una medida de la capacidad de detonación de la gasolina. A mayor numero de octano o índice de octano, disminuye su tendencia a detonar. El número de octano o índice de octano de un combustible, se encuentra haciendo trabajar un motor estándar de prueba con el combustible que se quiere medir, comparando su cascabeleo, con el de un combustible modelo de cascabeleo conocido. El combustible modelo de referencia, es una mezcla de isooctano, combustible que tiene buenas cualidades antidetonantes con numero de octano 100 y heptano normal, el cual es un combustible con malas cualidades antidetonantes, cuyo numero de octano asignado es de cero. Si un combustible tiene una detonación igual al de una mezcla de X% de isooctano y Y% de heptano, entonces se dice que el combustible probado tiene un numero de octano de X. Por ejemplo: si el combustible probado tiene un cascabeleo igual al de una mezcla de 80% de isooctano y 20% de heptano, entonces el No de octano de ese combustible es de 80

Algunos combustibles actuales tienen números de octano superiores a 100. En este caso la forma común de medir el No de octano, consiste en añadir al combustible modelo una cierta cantidad en mililitros de tetraetilo de plomo (TEL). Un combustible probado que posee el mismo cascabeleo que un combustible modelo con 2 mililitros de TEL, se dice que tiene las mismas características de cascabeleo que el isooctano más 2 mililitros de TEL.

Referencias

1) Titulo: Termodinamica

Autor:

Edición: Primera edición en Español

Editorial: Unión Tipográfica Editorial Hispano-americana

2) Titulo: Marks manual del ingeniero mecánico